冷油器換熱片穿孔泄漏原因分析

張雪超，程 璐，張 濤，云 峰，張志浩

(1.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司，呼和浩特010020;2.呼和浩特供電局，呼和浩特 010020)

0 引 言

奧氏體不銹鋼具有較好的耐腐蝕性能和抗氧化性能，常將其用在換熱片、油管路等腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境下。但由于其對(duì)氯化物具有腐蝕敏感性，在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。目前對(duì)奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕機(jī)理的研究已經(jīng)成熟，采取有效的防護(hù)措施，遏制奧氏體不銹鋼腐蝕，能夠有效提高設(shè)備的使用壽命。

某電站小汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑油冷油器換熱片發(fā)生穿孔泄漏。該冷油器已累計(jì)運(yùn)行32 000 h。送檢的試樣為發(fā)生穿孔泄露的小汽輪機(jī)潤(rùn)滑油冷油器換熱片4片，厚度均為0.5 mm，材質(zhì)為316L不銹鋼，其中1號(hào)試樣發(fā)生穿孔泄露，3號(hào)試樣表面存在腐蝕坑。為確定換熱片發(fā)生泄漏的原因，防止同類失效再次發(fā)生，此文對(duì)換熱片泄漏原因進(jìn)行了綜合分析。

1 檢驗(yàn)方法與試驗(yàn)分析

1.1 宏觀形貌觀察與分析

對(duì)穿孔泄漏的冷油器換熱片進(jìn)行宏觀形貌檢察。可以看出，換熱片上有一處長(zhǎng)約4 mm較大坑槽已徹底穿孔，孔徑小于1 mm，如圖1所示。

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)與分析

按照GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》[1]要求，使用SPECZROMAXx型臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)穿孔泄漏換熱片取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，以確定其化學(xué)成份是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)果見表1。可以看出，冷油器換熱片的化學(xué)成分中各元素含量均符合GB/T 3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》[2]中316L材料化學(xué)成分要求。因此，導(dǎo)致?lián)Q熱片產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的腐蝕物來(lái)源于環(huán)境。

表1 換熱片化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

1.3 顯微組織檢測(cè)與分析

按照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》[3]要求，采用Axio Observer.A1m型金相顯微鏡對(duì)穿孔泄漏的換熱片取樣，如圖2所示。換熱片泄漏孔部位已沿厚度方向形成不規(guī)則的孔洞，其組織以單相奧氏體并伴有孿晶組織為主，未見明顯老化。此外，由于換熱片在沖壓成型過(guò)程中發(fā)生較大形變，組織中伴有部分形變馬氏體組織。

圖2 穿孔泄漏換熱片橫截面顯微組織

1.4 斷口微區(qū)檢測(cè)與分析

采用S-3700N型掃描電子顯微鏡綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)換熱片穿孔部位及宏觀正常部位進(jìn)行了微區(qū)形貌檢測(cè)與分析，如圖3所示。

圖3 換熱片SEM微觀形貌

可以看出，在穿孔部位及其附近存在眾多的點(diǎn)狀腐蝕坑，局部位置有晶粒沿晶界剝落現(xiàn)象，在遠(yuǎn)離腐蝕坑槽的宏觀良好的換熱片表層可以觀察到整體的沿晶開裂現(xiàn)象。

采用能譜分析儀對(duì)穿孔部位的成分進(jìn)行分析，如圖4所示，該部位存在極易于導(dǎo)致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的Cl、Na和K等元素，這些元素組成的鹽類物質(zhì)對(duì)換熱片產(chǎn)生了腐蝕[4-5]。

圖4 穿孔處能譜圖

1.5 力學(xué)性能檢測(cè)與分析

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》[6]要求，對(duì)穿孔泄漏的換熱片取樣，在Tukon2500-6型Wilson維式顯微硬度計(jì)上進(jìn)行硬度試驗(yàn)，在20 ℃條件下，結(jié)果見表2。可以看出，該換熱片的硬度高于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》要求，這與換熱片在沖壓成型的變形過(guò)程中產(chǎn)生部分形變馬氏體組織有關(guān)。

表2 換熱片硬度測(cè)試結(jié)果Table 2 Hardness test results of heat exchanger plate

2 結(jié)果分析

根據(jù)斷口宏觀及微觀形貌來(lái)看，冷油器換熱片穿孔部位存在眾多點(diǎn)狀腐蝕坑，并有晶粒沿晶界剝落現(xiàn)象，說(shuō)明由于環(huán)境存在腐蝕性介質(zhì)或者對(duì)奧氏體敏感的腐蝕元素，由于換熱片的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且對(duì)穿孔部位進(jìn)行能譜分析，可檢測(cè)到Cl、Na和K元素的存在，而奧氏體對(duì)Cl-非常敏感，易發(fā)生腐蝕[7-8]。當(dāng)溶液中含有大量的H+和Cl-時(shí)，H+的存在會(huì)促使溶液中Cl-在鈍化膜中的集聚，使得局部Cl-的濃度更高，當(dāng)濃度增加到某一臨界值時(shí)，鈍化膜發(fā)生破裂而產(chǎn)生點(diǎn)蝕，試樣進(jìn)一步加速腐蝕。316L不銹鋼在富含Cl-的酸性介質(zhì)中的電化學(xué)反應(yīng)如下：

Fe-2e-→Fe2+

2H++2e-→H2

Fe+H2O→Fe(OH)3+H2↑

在腐蝕條件下隨著pH值的降低，陰極反應(yīng)加速，產(chǎn)生大量的H+，而且部分結(jié)合為H2，另一部分H+進(jìn)入金屬內(nèi)部，降低試樣的強(qiáng)度和塑性，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。因此在顯微組織中可以看到，在遠(yuǎn)離腐蝕坑槽部位換熱片表面存在大面積的沿晶表面微裂紋。鹽類物質(zhì)對(duì)奧氏體的腐蝕導(dǎo)致晶間裂紋的產(chǎn)生，致使表面產(chǎn)生微裂紋。根據(jù)金相組織分析可知在換熱片基體材料中存在馬氏體組織，這也是換熱片的硬度高于標(biāo)準(zhǔn)的原因[9]。馬氏體的存在也使換熱片韌性降低[10]，在存在裂紋源的情況下，由于內(nèi)應(yīng)力的作用，更容易穿孔或開裂。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上分析，此次小汽輪機(jī)潤(rùn)滑油冷油器換熱片穿孔泄漏，因換熱片接觸的介質(zhì)中存在極易于導(dǎo)致奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的Cl、Na和K等元素，這些元素組成的鹽類物質(zhì)對(duì)換熱片產(chǎn)生了點(diǎn)腐蝕并導(dǎo)致其最終穿孔泄漏。

鑒于此次給水泵換熱片穿孔泄漏的情況，建議檢查換熱器所接觸介質(zhì)中是否存在Cl-及其他鹽類超標(biāo)的問題，以避免再次發(fā)生類似穿孔泄漏事故。